Cellules solaires à couches minces

Jusqu'à 85% des cellules solaires sur le marché aujourd'hui sont des modules solaires cristallins. Cependant, les experts assurent que la technologie des couches minces pour la production de cellules solaires s'avère plus efficace et donc la plus prometteuse des modules à cristaux déjà connus.

Le principal avantage de la technologie des couches minces est son faible coût, c'est pourquoi elle a toutes les chances de devenir un leader dans les années à venir. Les modules de la nouvelle base rendent les panneaux solaires flexibles, au sens littéral du terme. Ils sont légers et flexibles, ce qui vous permet de placer ces batteries sur littéralement n'importe quelle surface, y compris la surface des vêtements.

Les cellules solaires flexibles sont basées sur des films polymères, du silicium amorphe, de l'aluminium, du tellurure de cadmium et d'autres semi-conducteurs, qui sont déjà utilisés dans la production de chargeurs portables pour téléphones portables, ordinateurs portables, tablettes, caméras vidéo et autres gadgets, sous la forme de petits cellules solaires. Mais si plus de puissance est nécessaire, la surface du module devra être plus grande.

Les premiers échantillons de cellules solaires à couche mince ont été fabriqués avec du silicium amorphe déposé sur un substrat, et l'efficacité n'était que de 4 à 5%, et la durée de vie n'était pas longue. L'étape suivante de la même technologie consistait à augmenter l'efficacité à 8% et à prolonger la durée de vie, elle est devenue comparable à ses prédécesseurs en cristal. Enfin, la troisième génération de modules à couches minces avait déjà un rendement de 12%, ce qui est déjà une avancée et une compétitivité significatives.

Le séléniure de cuivre d'indium et le tellurure de cadmium utilisés ici ont permis de créer des cellules solaires flexibles et des chargeurs portables avec une efficacité allant jusqu'à 10 %, et c'est déjà une réalisation importante, étant donné que les physiciens se battent pour chaque pourcentage supplémentaire d'efficacité. Examinons maintenant de plus près la fabrication des batteries à couches minces.

Quant au tellurure de cadmium, il a commencé à être étudié comme matériau absorbant la lumière dans les années 1970, lorsqu'il a fallu trouver la meilleure option pour une utilisation dans l'espace. À ce jour, le tellurure de cadmium reste le plus prometteur pour les cellules solaires. Cependant, la question de la toxicité du cadmium reste ouverte pendant un certain temps.

À la suite de la recherche, il a été démontré que le danger est minime, le niveau de cadmium rejeté dans l'atmosphère n'est pas dangereux. L'efficacité est de 11%, tandis que le prix au watt est inférieur d'un tiers à celui des analogues au silicium.

Passons maintenant au séléniure de cuivre et d'indium. Une quantité importante d'indium est aujourd'hui utilisée pour créer des écrans plats, donc l'indium est néanmoins remplacé par du gallium, qui a les mêmes propriétés pour énergie solaire… Sur cette base, les batteries à film atteignent un rendement de 20 %.

Récemment, des panneaux polymères ont commencé à être développés.Ici, les semi-conducteurs organiques servent de matériaux absorbant la lumière : fullerènes de carbone, polyphénylène, phtalocyanine de cuivre, etc. L'épaisseur de la cellule solaire est de 100 nm, mais le rendement n'est que de 5 à 6 %. Mais en même temps, les coûts de production sont assez bas, les films sont abordables, légers et totalement respectueux de l'environnement. Pour cette raison, les panneaux en résine sont populaires là où le respect de l'environnement et la flexibilité mécanique sont importants.

Ainsi, l'efficacité des cellules solaires à couches minces fabriquées aujourd'hui :

• Monocristal — de 17 à 22 % ;

• Polycristal — de 12 à 18 % ;

• Silicium amorphe — 5 à 6 % ;

• Tellurure de cadmium — de 10 à 12 %;

• Séléniure de cuivre-indium — de 15 à 20 %;

• Polymères organiques — 5 à 6 %.

Quelles sont les caractéristiques des batteries à couches minces ? Tout d'abord, il convient de noter les hautes performances des modules même en lumière diffuse, qui donnent jusqu'à 15% de puissance en plus au cours de l'année par rapport aux analogues de cristal. Vient ensuite l'avantage du coût de fabrication. Dans les systèmes à haute puissance, à partir de 10 kW, les modules à couches minces présentent une plus grande efficacité, bien que 2,5 fois plus de surface soit nécessaire.

Ainsi, nous pouvons nommer les conditions dans lesquelles les modules à couches minces obtiennent un avantage justifié. Dans les régions où le temps est principalement nuageux, les batteries à couche mince fonctionneront efficacement (lumière diffuse). Pour les régions à climat chaud, les couches minces sont plus efficaces (elles fonctionnent aussi bien à haute température qu'à basse température). Possibilité d'utilisation comme solutions de conception décorative pour la finition des façades de bâtiments. Une transparence jusqu'à 20% est possible, ce qui joue encore une fois entre les mains des concepteurs.

Pendant ce temps, en 2008, la société américaine Solyndra a proposé de placer des batteries à couches minces sur des cylindres, où une couche de cellule photoélectrique est appliquée sur un tube de verre qui est placé à l'intérieur d'un autre tube équipé de contacts électriques. Les matériaux utilisés sont le cuivre, le sélénium, le gallium, l'indium.

La conception cylindrique permet d'absorber plus de lumière et un ensemble de 40 cylindres s'adapte au mètre de deux panneaux. Le point culminant ici est que le revêtement de toit blanc contribue à la haute efficacité d'une telle solution, car alors les rayons réfléchis fonctionnent également, ajoutant 20% de leur énergie. De plus, les ensembles cylindriques résistent même aux vents forts avec des rafales allant jusqu'à 55 m/s.

La plupart des cellules solaires fabriquées aujourd'hui ne contiennent qu'une seule jonction pn, et les photons dont l'énergie est inférieure à la bande interdite ne participent tout simplement pas à la génération. Ensuite, les scientifiques ont trouvé un moyen de surmonter cette limitation, des éléments en cascade d'une structure multicouche ont été développés, où chaque couche a sa propre largeur de bande, c'est-à-dire que chaque couche a une jonction pn séparée avec une valeur individuelle de l'énergie du absorbé photons.

La couche supérieure est formée d'un alliage à base de silicium amorphe hydrogéné, la seconde - un alliage similaire avec addition de germanium (10-15%), la troisième - avec addition de 40 à 50% de germanium. Ainsi, chaque couche successive présente un entrefer plus étroit que celui de la couche précédente, et les photons non absorbés dans les couches supérieures sont absorbés par les couches sous-jacentes du film.

Dans cette approche, le coût de l'énergie générée est divisé par deux par rapport aux cellules traditionnelles en silicium cristallin. En conséquence, une efficacité de 31% a été obtenue avec un film à trois passages, et un film à cinq passages promet tout de même 43%.

Récemment, des spécialistes de l'Université d'État de Moscou ont développé des cellules solaires de type rouleau basées sur un polymère appliqué sur un substrat flexible de matériau organique. L'efficacité s'est avérée n'être que de 4%, mais de telles batteries peuvent fonctionner même à + 80 ° C pendant 10 000 heures. Ces études ne sont pas encore terminées.

Les scientifiques suisses ont atteint une efficacité de 20,4% sur une base polymère, et l'indium, le cuivre, le sélénium et le gallium ont été utilisés comme semi-conducteurs. Aujourd'hui, il s'agit d'un record pour des éléments sur un film mince de polymère.

Au Japon, ils ont atteint une efficacité de 19,7% dans des semi-conducteurs déposés par pulvérisation similaires (indium, sélénium, cuivre). Et au Japon, ils ont commencé à produire du tissu solaire, des panneaux solaires en tissu ont été développés en utilisant des éléments cylindriques d'environ 1,2 millimètres de diamètre fixés au tissu. Début 2015, ils prévoyaient de démarrer la production de vêtements et de parasols sur cette base.

Il est évident que les panneaux solaires à couches minces vont enfin se généraliser à la population dans un avenir proche.Ce n'est pas pour rien que tant de recherches sont menées dans le monde entier afin de réduire les coûts.